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WO2014084575A1 - 미세결함을 검출하는 방법 및 장치 - Google Patents

미세결함을 검출하는 방법 및 장치 Download PDF

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WO2014084575A1
WO2014084575A1 PCT/KR2013/010798 KR2013010798W WO2014084575A1 WO 2014084575 A1 WO2014084575 A1 WO 2014084575A1 KR 2013010798 W KR2013010798 W KR 2013010798W WO 2014084575 A1 WO2014084575 A1 WO 2014084575A1
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WO
WIPO (PCT)
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sample
light source
defect
irradiated
pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2013/010798
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English (en)
French (fr)
Inventor
장기수
최우준
유선영
김건희
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Basic Science Institute KBSI
Original Assignee
Korea Basic Science Institute KBSI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Basic Science Institute KBSI filed Critical Korea Basic Science Institute KBSI
Publication of WO2014084575A1 publication Critical patent/WO2014084575A1/ko
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/9501—Semiconductor wafers
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    • G01N21/9501—Semiconductor wafers
    • G01N21/9505—Wafer internal defects, e.g. microcracks

Definitions

  • the present invention relates to a technique for detecting fine defects, and more particularly, by irradiating a pump laser beam to a sample to induce a change in the periodic reflection intensity due to the photothermal effect of the defect present in the irradiation area, and to the probe A method and apparatus for detecting minute defects in a sample by irradiating a beam and measuring a change in reflection intensity.
  • microdefects in the thin film may be It can act as a local hot source to increase the ambient temperature, and this change in temperature and the difference in coefficient of thermal expansion in the thin film results in thermal stress, resulting in a laser-induced laser damage threshold.
  • damage threshold LIDT
  • the lowering of the laser damage threshold caused by laser exposure ultimately results in damage and permanent destruction of the thin film, thereby degrading the performance of the optoelectronic device and further shortening the life of the device.
  • Photothermal microscopy [B. Bertussi et al ., "High-resolution photothermal microscope: a sensitive tool for the detection of isolated absorbing defects in optical coatings," Appl. Opt., 45 (7) 2006, US patent, "Photothermal imaging scanning microscopy", registration number: 07075058, registration date: July 11, 2006, is one of the most widely used thin film defect detection techniques. It is a method of estimating a defect location by checking a change in refractive index around a defect due to a stimulus to a degree of deflection / refraction of a probe beam.
  • the method obtains defect distribution by raster scanning using a sample stage, the data acquisition time is long (more than a few minutes), and the photothermal effect around the defect predominates when the pump beam size is larger than the measurement defect. There was a problem that the accuracy of the detection falls.
  • the light-heat signal is very sensitive to the relative position of the probe beam and the pump beam, it is difficult to precisely adjust the probe beam irradiation angle for each sample measurement.
  • an object of the present invention is to provide a novel technique using a reflection mode photothermal reflection microscopy technique that measures the position of the defect through the degree of change in reflectance instead of the change in refractive index due to the photothermal effect.
  • a first aspect of the invention is a step of irradiating a pump laser beam of a predetermined frequency (f) to the sample; Changing the periodic reflection intensity by changing the defect surface temperature due to the photothermal effect of the defect in the area irradiated with the pump laser beam; And irradiating a probe beam to the sample to measure a change in the reflection intensity.
  • the sample for detecting the microdefects is not particularly limited, such as a thin film, a thick film, a wafer, a bulk material, and can be various kinds.
  • the method further comprises the step of measuring from the change in reflectance of the sample by phase-locked heat reflection and converting it into a heat distribution.
  • the detector may further include triggering a sample at a multiple of the frequency for temperature-modulating the sample.
  • the light source for generating the pump laser beam may be configured using a wavelength tunable laser diode and a wavelength selection filter (not shown) to irradiate the beam of various wavelengths.
  • the pump laser beam is preferably irradiated with a surface light source, but may also be modified to be irradiated in the form of a line light source.
  • the probe beam imaging plane may be moved into the sample through vertical movement of the sample stage, three-dimensional defect information of the sample may be realized through the stage Z-axis scan.
  • sample mounting unit for mounting a sample;
  • a pump light source for irradiating the pump laser beam at a predetermined frequency f on the sample;
  • a probe light source for irradiating visible light onto the sample;
  • a detector for detecting light reflected by the probe light source and reflected from the surface of the sample;
  • a control unit and an image processing unit at multiple times of a period in which the sample is temperature-modulated by irradiation of the pump laser beam.
  • the apparatus further includes a light splitter, and transmits the beam emitted from the probe light source to the sample and delivers the beam transmitted from the sample to the detector.
  • a light splitter transmits the beam emitted from the probe light source to the sample and delivers the beam transmitted from the sample to the detector.
  • the probe beam irradiation area is acquired at a time without a separate scan, thereby greatly reducing the imaging time (several seconds or more), and the probe beam and the pump beam. Since high-precision light alignment of the liver is not required, there is an effect that the defect site can be identified more quickly.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of detecting microdefects according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of a system for implementing a method for detecting microdefects of the present invention.
  • 3 to 5 are views for explaining a method of irradiating a sample to the pump light source according to the present invention.
  • FIG. 6 is a photograph showing an example of detecting impurities in a uniform medium using a method for detecting microdefects according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a photograph showing the results confirmed through the system for the micro-defects inside the uniform PDMS produced additionally.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of detecting microdefects according to an embodiment of the present invention.
  • the defect in the sample absorbs the pump beam and the absorbed light energy is converted into thermal energy and transferred around the defect.
  • This thermal energy increases the temperature around the defect, which results in a change in refractive index (thermal lens effect). Therefore, as a result, the change in the refractive index leads to a change in the light reflection intensity, and the relationship between the relative change in the light reflection intensity and the temperature change can be expressed as follows.
  • ⁇ R, R, , ⁇ T represent the change of light reflection intensity, background reflection intensity, heat reflection correction coefficient, and temperature change of sample surface, respectively.
  • One feature of the present invention is in determining the defect position, so that the relative reflectance change amount ⁇ R / R can be used as a parameter for measuring the defect position.
  • the probe beam can be used to measure it.
  • the sample reflected light can be detected by a CCD camera which is recondensed by the objective and operates at a frequency of 4f.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of a system for implementing a method for detecting microdefects of the present invention.
  • thermal reflection microscopy is an optical technique for measuring the microscopic distribution of thermal changes in an optoelectronic circuit, which can calculate the actual temperature by measuring the relative reflection intensity change of the sample caused by the temperature change.
  • a band pass filter 270 in front of the CCD camera to block the pump beam reflected light by the sample.
  • the reflected light intensity recorded on the CCD arbitrary pixels (x, y) can be expressed as follows.
  • Is the reflectivity of the sample Represents the change in the relative reflection intensity of the sample due to pump beam excitation, Denotes the phase retardation values caused by the modulation frequency and the optical thermal modulation of the reflected beam, respectively. Since the CCD camera is synchronized with the pump beam, it is possible to extract only the relative reflectance variation from the reflected light intensity recorded in the CCD camera by using homodyne lock-in detection, which is known as a low frequency signal demodulation technique. .
  • the system of the present invention includes a probe light source 100, a pump light source 120, a detector 300, a controller, and an image processor 400, and further includes an optical splitter 250.
  • the beam emitted from 100 may be transferred to the sample, and the beam transmitted from the sample may be transferred to the detector 300.
  • various lenses C and L may be disposed at the front end of the light source or the detector to assist in converging light.
  • the probe light source 100 is a light source that provides light in which light rays having a plurality of wavelengths are mixed in the visible light wavelength region.
  • the type includes a wavelength filter (not shown) that selects only a predetermined wavelength together with a light source capable of obtaining a wide wavelength line width such as a white light, an LED, a solid light source having a broad wavelength line width, or a line width of about 10 nm to 50 nm. LEDs having a specific wavelength band can be used.
  • the pump light source 120 is for irradiating a sample with a beam of frequency f, and may be irradiated using a laser diode of 808 nm. It is, of course, also possible to use a multi-mode fiber or a bundle of fiber to guide the pump light source 120 to the sample.
  • the pump light source 120 may be configured using a wavelength tunable laser diode and a wavelength selection filter (not shown) to irradiate beams of various wavelengths. That is, more effective defect imaging can be realized by selecting a wavelength having good transmittance and light absorption by irradiating beams of various wavelengths and using a filter for wavelength selection.
  • the stage Z-axis scan is performed.
  • Three-dimensional defect information of the sample can be implemented. In the case of a large area sample, this process is followed by a scan of the transverse axis of the sample stage, thereby making it possible to obtain three-dimensional defect information on the entire area of the sample. In the case of a large area, it is possible to implement three-dimensional defect information on the entire area of the sample by stitching by moving the sample stage horizontally by one step.
  • the beam irradiated to the surface light source from the pump light source 120 enables to intensively obtain information about a certain depth in the depth direction inside the sample (for example, a thin film), and relatively outside the corresponding depth There is a vulnerable problem. Therefore, it is also possible to scan in the depth direction in such a way that the pump light source 120 adjusts the depth irradiated in the sample. Specifically, by adjusting the distance between the pump light source 120, the condenser lens 295, and the sample 500, a focal plane in which the beam irradiated from the pump light source 120 is mainly intensively irradiated deeply. It is possible to change in the direction.
  • changing the wavelength of the pump light source 120 to change the depth irradiated intensively in the sample it is possible to ensure whether the internal defects in the three-dimensional image.
  • changing the wavelength of the pump light source has an effect of changing the image plane according to the wavelength when the lens is used, but the light absorption of the defect is changed according to the wavelength, so it is difficult to obtain the same defect information.
  • the detector 300 may include a plurality of optical signal detectors including a charged coupled device (CCD), a photo detector, an avalanche photo diode (APD), and a photo multiplier tube (PMT).
  • CCD charged coupled device
  • APD avalanche photo diode
  • PMT photo multiplier tube
  • the system controller and the image processor 400 generate a signal for synchronizing the pump light source 120 and the detector 300, and are composed of hardware and software for processing the measured image information.
  • the phase lock nib is applied by applying an optical signal that is a sample, and simultaneously illuminating the object with visible light through an optical microscope to detect the distribution of reflected light, for example, by using a CCD camera.
  • the exothermic distribution of the object is measured by measuring by means of law.
  • the sample is temperature-modulated by the pump beam at a particular frequency f, with heating and cooling repeated periodically.
  • periodic heating and cooling drive signals cause periodic temperature changes around defects in the sample.
  • the CCD which is the detector 300 can detect the light reflected from the sample.
  • the detector 300 is triggered by multiple times (eg, 4 times) the frequency that modulates the sample, thereby generating a series of images multiple times (eg, 4 times) within one period of temperature modulation of the sample. It can be secured.
  • the data secured through the CCD is sent to the controller and the image processor 400 to process the data.
  • FIG. 3 to 5 are views for explaining a method of irradiating a sample to the pump light source according to the present invention.
  • FIG. 3 illustrates a case where the pump light source is irradiated in an off-axis manner
  • FIG. 4 illustrates a case where the pump light source is irradiated in a collinear manner
  • FIG. 5 illustrates a case where the pump light source is irradiated in an inverted manner.
  • FIG. 6 are photographs showing an example of detecting impurities in a uniform medium using a method for detecting microdefects according to an embodiment of the present invention.
  • a PDMS polydimethylsiloxane
  • FIG. 6 (b) is a light heat reflection image when the pump beam is operated
  • FIG. 6 (c) is a light heat reflection image when the pump beam is turned off. Indicates.
  • the image acquisition time was about 50 seconds after 50 averaging processes and the acquired image size was 200 ⁇ m (X) ⁇ 148 ⁇ m (Y).
  • Figure 7 is a photograph showing the result of confirming the micro-defects inside the uniform PDMS produced further through the system. 7 is a result of detecting the micro defects in the PDMS for each depth, (a), (c) is an optical microscope image and a light-heat reflection image corresponding to the optical microscopy image at a depth of 15 ⁇ m, 20 ⁇ m from the PDMS surface is (b), (d )to be. Submicron impurities are more clearly displayed in the expanded rectangular box.
  • FIGS. 7 (a) and 7 (c) are optical microscopic images at depths of 15 ⁇ m and 20 ⁇ m from the PDMS surface, respectively, and as shown in the drawing, no defects appear to the naked eye. However, during pump beam operation, locally located submicron impurities (enlarged box markings) were found at each position, as shown in FIGS. 7 (b) and 7 (d).
  • the present invention relates to a method and apparatus for detecting submicron micro defects in a sample, by applying a two-dimensional image sensor-based heat reflection microscopy technique, by measuring a relative change in reflectance caused by the photothermal effect of impurities, where Can be imaged.
  • image acquisition time is tens of times faster than conventional detection systems, and a separate optical alignment process is not required for defect measurement, so that defect inspection can be performed more quickly.
  • the three-dimensional defect inspection can be performed much faster than the conventional inspection equipment of the scan driving method, which can be said to be of great technical value and industrial application.

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Abstract

본 발명은 샘플에 일정 주파수의 펌프 레이저 빔이 조사되는 단계; 상기 펌프 레이저 빔이 조사된 영역에 결함의 광열효과로 인해 결함 표면 온도가 변화되어 주기적인 반사 세기가 변화되는 단계; 및 상기 샘플에 프로브 빔을 조사하여 상기 반사 세기의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 미세결함을 검출하는 방법을 제공한다.

Description

미세결함을 검출하는 방법 및 장치
본 발명은 미세 결함을 검출하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 샘플에 펌프 레이저 빔을 조사하여 조사 영역내에 존재하는 결함의 광열효과로 인해 주기적인 반사 세기가 변화되도록 유도하고, 샘플에 프로브 빔을 조사하여 반사세기의 변화를 측정함으로써 샘플 내에 미세한 결함을 검출할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 소자, 예를 들어 트랜지스터, 태양전지, 반도체 레이저와 같은 능동/수동 소자를 위한 박막을 제조함에 있어서, 공정 과정 중에 크랙(crack), 스크래치(scratch), 구조적 결함(structural defect), 오염(contaminant) 등 다양한 종류의 박막 내 미세 결함들이 발생할 수 있다. 이러한 결함은 박막 소자의 성능을 저하시키거나 수명을 단축시키는 주요 원인으로 작용하므로 반도체 소자의 제조에 있어 박막의 결함을 검출하거나 결함원인을 파악하는 일은 매우 중요하다.
예를 들어, 반도체레이저, 광검출기, 광증폭기 등 광전소자의 광학적 성능 (반사, 투과, 흡수 등)을 제어할 목적으로 증착된 광학박막의 경우, 박막내의 미소결함은 레이저 조사 시, 박막 내부의 국소 열원(local hot source)으로 작용하여 주변 온도를 증가시킬 수 있고, 이러한 온도 변화 및 박막 내 열팽창 계수 차이는 열응력(thermal stress)을 초래하여, 이로 인해 박막의 레이저 손상 문턱값 (laser-induced damage threshold, LIDT)을 낮추게 될 수 있다. 결국 레이져 노출에 의한 지속적인 레이저 손상 문턱값 저하는 궁극적으로 박막의 손상 및 영구적인 파괴를 초래하여 광전소자의 성능을 저하시키고 나아가 소자의 수명을 단축시키게 된다.
따라서, 박막의 손상을 방지하고 고품질의 광 특성을 확보하기 위해서 박막 내 미세 결함 검출의 필요성은 지속적으로 요구되어 오고 있다.
이에 대한 종래 기술들을 살펴본다. 광열 현미경 (photothermal microscopy, PTM)[B. Bertussi et al., "High-resolution photothermal microscope: a sensitive tool for the detection of isolated absorbing defects in optical coatings," Appl. Opt., 45(7) 2006, US patent, "Photothermal imaging scanning microscopy", 등록번호:07075058, 등록일자:2006.07.11]은 가장 폭넓게 사용되고 있는 박막 결함 검출 기술 중 하나로써, 펌프 빔 (pump beam) 자극에 의한 결함 주위의 굴절률 변화 (thermal lens effect)를 프로브 빔 (probe beam)의 편향/굴절 정도로 확인하여 결함 위치를 추정하는 방법이다.
그러나, 이 방법은 샘플 스테이지를 이용한 래스터 주사 (raster scanning) 방식으로 결함 분포를 얻기 때문에 데이터 획득 시간이 길며 (수십 분 이상), 펌프 빔 크기가 측정 결함보다 클 경우 결함 주위의 광열 효과가 더 우세하여 검출의 정확성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한 광열 신호가 프로브 빔과 펌프 빔의 상대적인 위치에 매우 민감하기 때문에 각 샘플 측정 시 프로브 빔 조사 각도를 매번 정밀하게 조절해야 하는 어려움이 있어 실제 현장에 적용하기에 제한이 따르는 문제점이 있었다.
한편, 이러한 문제점을 박막의 경우를 예를 들어 설명하였지만, 벌크 형태의 재료, 웨이퍼 등의 경우에도 미세결함을 검출하는 경우에도 동일한 문제점이 있었다.
이러한 배경 하에서, 본 발명의 목적은 광열효과에 의한 굴절률 변화 대신 반사율 변화정도를 통해 결함 위치를 측정하는 반사 모드 광열 반사 현미경 기술을 이용한 새로운 기술을 제공하고자 함이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은 샘플에 일정 주파수(f)의 펌프 레이저 빔이 조사되는 단계; 상기 펌프 레이저 빔이 조사된 영역에 결함의 광열효과로 인해 결함 표면 온도가 변화되어 주기적인 반사 세기가 변화되는 단계; 및 상기 샘플에 프로브 빔을 조사하여 상기 반사 세기의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 미세결함을 검출하는 방법을 제공한다.
미세결함을 검출하는 샘플은 박막, 후막, 웨이퍼, 벌크 재료 등 특별히 한정되지 않고 다양한 종류가 가능하다.
바람직하게는, 상기 샘플의 반사율 변화로부터 위상잠금 열반사법으로 측정하고 이를 열분포로 변환하는 단계를 더 포함한다. 또한, 검출부는 샘플을 온도-모듈레이션 시키는 주파수의 복수배로 트리거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 펌프 레이저 빔을 생성하는 광원은 다양한 파장의 빔을 조사할 수 있도록 파장가변 레이저 다이오드와 파장 선택용 필터(미도시)를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.
상기 펌프 레이저 빔은 면광원으로 조사되는 것이 바람직하지만, 선광원 형태로 조사되도록 변형하여 구현할 수도 있다.
상기 펌프 레이저 빔은 면광원으로 조사되는 경우, 프로브 빔 결상면이 샘플 스테이지의 상하 이동을 통해 샘플 내부로 이동될 수 있으므로, 이러한 스테이지 Z축 스캔을 통해 샘플의 3차원 결함 정보를 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 샘플를 탑재하는 샘플 탑재부; 상기 샘플에 일정 주파수(f)의 펌프 레이저 빔을 조사하기 위한 펌프 광원; 가시광을 샘플에 조사시키기 위한 프로브 광원; 상기 프로브 광원에 의해 조사되어 샘플의 표면으로부터 반사된 빛을 검출하는 검출부; 및 상기 샘플이 상기 펌프 레이저 빔의 조사에 의해 온도-모듈레이션 시키는 주기의 복수배로 제어부 및 영상처리부를 포함하는 미세결함을 검출하는 장치를 제공한다.
바람직하게는, 광분배기를 더 포함하고, 프로브 광원으로부터 출사되는 빔을 샘플에 전달하고 샘플로부터 전달되어 온 빔을 검출부로 전달하는 기능을 수행한다.
이상에서 설명한 바와 같은 발명에 의하면, 기존의 결함 검출 방식에 비해 시스템 구현이 비교적 간단하고 상대적으로 넓은 영역의 고속 측정이 가능하기 때문에, 현장 적용 시, 보다 신속하고 효율적인 결함 검사 환경을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 2차원 어레이 센서를 신호 검출기를 이용함으로써 별도의 스캔 없이 프로브 빔 조사 영역을 일시에 획득함으로써, 이미징 시간을 크게 단축시킬 수 있으며 (수십 초 이상), 프로브 빔과 펌프 빔 간의 고정도 광정렬이 요구되지 않아 보다 신속하게 결함 부위를 확인할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세결함을 검출하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 미세결함을 검출하는 방법을 구현하기 위한 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3~5는 본 발명에 따라서, 펌프 광원을 샘플에 조사하는 방식을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세결함을 검출하는 방법을 사용하여 균일 매질의 불순물 검출 예를 나타낸 사진들이다.
도 7는 추가 제작된 균일한 PDMS 내부의 미세 결함을 시스템을 통해 확인한 결과를 나타내는 사진들이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세결함을 검출하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 방법은 샘플에 주파수(f)의 펌프 레이저 빔이 조사되는 단계(S101)와 조사된 영역에 결함의 광열효과로 인해 결함 주위의 온도가 변화되어 굴절률의 주기적인 변화를 야기하고 주기적인 반사세기가 변화되는 단계(S103)와, 상기 샘플에 프로브 빔을 조사하여 상기 반사세기의 변화를 측정하는 단계(S105)를 포함한다.
좀 더 상세히 설명하면, 샘플에 주파수(f)의 펌프 빔을 조사하면, 샘플 내 결함이 펌프빔을 흡수하게 되고 흡수된 광 에너지가 열에너지로 바뀌어 결함 주위로 전달된다. 이러한 열에너지는 결함 주위의 온도를 증가시키게 되고 이는 굴절률의 변화를 가져오게 된다(열렌즈 효과). 따라서, 결과적으로 굴절률의 변화는 광 반사세기의 변화를 유도하게 되는데, 광 반사세기의 상대적인 변화와 온도 변화 사이의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2013010798-appb-I000001
여기서, ΔR, R,
Figure PCTKR2013010798-appb-I000002
, ΔT 는 각각 광 반사세기의 변화도, background 반사세기, 열반사 보정 계수, 그리고 샘플 표면의 온도변화를 나타내고 있다. 본 발명의 하나의 특징은 결함 위치 판별에 있으므로 상대적인 반사율 변화량 (ΔR/R)을 결함 위치 측정을 위한 파라미터로 사용할 수 있다.
이러한 열광 (thermo-optic) 작용으로 미세 결함의 주기적인 반사세기 변화를 가져오면, 이를 측정하기 위해 프로브 빔을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 프로브 빔이 긴 작동 거리를 가진 현미경 대물렌즈를 통해 샘플에 고르게 입사된 후 샘플 반사광이 대물렌즈에 의해 재집광되어 주파수 4f로 동작하는 CCD 카메라로 검출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 미세결함을 검출하는 방법을 구현하기 위한 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 2개의 off-axis 빔(펌프 빔(120)과 프로브 빔(100))과 CCD 기반의 열반사 현미경(thermoreflectance microscopy, TRM)으로 구성되어 있다. 열반사 현미경은 광전자 회로의 미세 열변화 분포를 측정하기 위한 광학 기술로써 온도 변화로 야기된 샘플의 상대적인 반사세기 변화를 측정함으로써 실제 온도를 계산할 수 있다. 한편, 샘플에 의한 펌프 빔 반사광을 차단하기 위해 대역통과 필터(270)를 CCD 카메라 앞에 설치하는 것도 가능하다. CCD 임의 픽셀(x,y)에 기록된 반사광 세기는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2013010798-appb-I000003
여기서,
Figure PCTKR2013010798-appb-I000004
는 샘플의 반사세기이며,
Figure PCTKR2013010798-appb-I000005
는 펌프 빔 여기에 의한 샘플의 상대적인 반사 세기 변화를 나타내고, f와
Figure PCTKR2013010798-appb-I000006
는 각각 반사빔의 변조 주파수와 광열변조에 기인된 위상 지연값을 나타내고 있다. CCD 카메라는 펌프 빔과 동기화 되어 있어 저주파 대역의 신호 복조 기법으로 잘 알려진 호모다인 위상장금검출법(homodyne lock-in detection)을 이용하여 CCD 카메라에 기록된 반사광 세기로부터 상대적인 반사율 변화량만을 추출할 수 있게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 시스템은 프로브 광원(100), 펌프 광원(120), 검출부(300), 제어부 및 영상처리부(400)를 포함하고, 광분배기(250)를 더 포함하여 프로브 광원(100)으로부터 출사되는 빔을 샘플에 전달하고 샘플로부터 전달되어 온 빔을 검출부(300)로 전달할 수 있다. 한편, 광원이나 검출부 전단부에는 각종 렌즈들(C,L)을 배치하여 광의 집속 등을 보조하도록 구현할 수 있다.
프로브 광원(100)은 가시광 파장 영역에서 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛을 제공하는 광원이다. 그 종류로는 광대역 파장선폭을 가지는 백색광, LED, 고체 광원 등 일반적으로 넓은 파장 선폭을 얻을 수 있는 광원과 함께 일정 파장만을 선택하는 파장필터(미도시)를 포함하거나 선폭이 약 10nm～50nm 이내의 특정 파장대역을 가지는 LED 등을 이용할 수 있다.
펌프 광원(120)은 샘플에 주파수(f)의 빔으로 조사하기 위한 것으로, 808nm의 레이저 다이오드를 사용하여 조사할 수 있다. 펌프 광원(120)이 샘플에 가이드되기 위해서 다중 모드 광섬유 혹은 광섬유 다발을 사용하는 것도 가능함은 물론이다.
또한, 펌프 광원(120)은 다양한 파장의 빔을 조사할 수 있도록 파장가변 레이저 다이오드와 파장 선택용 필터(미도시)를 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 즉, 다양한 파장의 빔을 조사하여 좋은 투과도와 광흡수도를 보이는 파장을 선택하고 파장 선택용 필터를 활용함으로써 보다 효과적인 결함 이미징을 구현할 수 있다.
한편, 상기 펌프 레이저 빔은 면광원으로 조사하고, 프로브 빔 결상면이 샘플 스테이지의 상하 이동을 통해 샘플 내부로 이동될 수 있으므로(샘플 내부로 focal plane위치가 이동), 이러한 스테이지 Z축 스캔을 통해 샘플의 3차원 결함 정보를 구현할 수 있다. 대면적 샘플의 경우에는 이러한 과정이 샘플 스테이지의 횡축 스캔과 이어짐으로써 샘플 전체 면적에 대한 3차원 결함 정보를 획득하는 것이 가능하다. 대면적의 경우, 샘플 스테이지를 한 스텝씩 횡으로 움직여가며 이 같은 과정을 수행함으로서 (stitching) 샘플 전 면적에 대한 3차원 결함 정보를 얻을 수 있도록 구현하는 것도 가능하다.
또한, 펌프 광원(120)에서 면광원으로 조사되는 빔은 샘플(예를 들어 박막) 내부의 깊이 방향으로 일정 깊이에 대한 정보를 집중적으로 확보할 수 있게 하고 해당 깊이를 벗어나는 경우는 상대적으로 정보 확보에 취약한 문제점이 있다. 따라서, 펌프 광원(120)이 샘플 내에 조사되는 깊이를 조절하는 방식으로 깊이 방향으로 스캔하는 것도 가능하게 된다. 구체적으로는, 펌프광원(120), 집광렌즈(295), 및 샘플(500) 사이의 거리를 조절함으로써 펌프 광원(120)에서 조사된 빔이 주로 집중적으로 조사되는 포컬 평면(focal plane)을 깊이 방향으로 변화시키는 것이 가능하다. 또 다른 방식에 의하면, 펌프 광원(120)의 파장을 변화시킴으로써 샘플 내에 집중적으로 조사되는 깊이가 달라지는 것을 이용함으로써 내부의 결함 여부를 3차원 형태의 영상으로 확보하는 것이 가능하다. 다만, 펌프광원의 파장을 변화시키면 렌즈 사용시 파장에 따른 결상면 변화 효과가 있지만, 파장에 따라 결함의 광 흡수도가 바뀌게 되어 동일한 결함 정보를 얻기가 어려운 점이 있은 있으므로 이를 감안하여야 한다.
검출부(300)는 charged coupled device(CCD), 포토디텍터, APD(avalanche photo diode), PMT(photo multiplier tube)를 포함하는 광신호 검출기가 다수개 배열되어 구성될 수 있다.
시스템 제어부 및 영상처리부(400)는 펌프광원(120)과 검출부(300)의 동기화를 위하여 신호를 발생하고, 측정된 영상 정보를 처리하기 위한 하드웨어와 소프트웨어로 구성된다.
본 실시예에 의하면, 샘플인 광학적 신호를 인가시키고, 동시에 가시광 조명을 광학현미경을 통해 대상물에 조사하여 반사된 빛의 분포를 예컨대 CCD 카메라로 검출함으로써 대상물의 발열분포에 따른 반사율 분포를 위상잠금 열반사법으로 측정하여 대상물의 발열분포를 측정하게 된다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 샘플은 특정 주파수(f)의 펌프 빔에 의해 온도-모듈레이션 되는데 주기적으로 가열과 냉각이 반복된다. 이와 같은 주기적인 가열과 냉각의 구동신호에 의해 샘플 내 결함 주위의 주기적인 온도 변화가 발생되게 된다. 이 경우, 검출부(300)인 CCD에서는 샘플로부터 반사된 광을 검출할 수 있다. 검출부(300)인 CCD는 샘플을 온도-모듈레이션 시키는 주파수의 복수배로(예컨대 4배) 트리거되는데(trigger) 이를 통해 샘플의 온도 모듈레이션의 한 주기 내에서 복수회(예컨대 4회)의 일련의 이미지를 확보할 수 있게 된다. CCD를 통해 확보된 데이터는 제어부 및 영상처리부(400)로 송부되어 데이터 처리된다.
도 3~5는 본 발명에 따라서, 펌프 광원을 샘플에 조사하는 방식을 설명하기 위한 도면들이다. 도 3은 펌프 광원이 off-axis 방식으로 조사되는 경우, 도 4는 펌프 광원이 collinear 방식으로 조사되는 경우, 도 5는 펌프 광원이 inverted 방식으로 조사되는 경우를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세결함을 검출하는 방법을 사용하여 균일 매질의 불순물 검출 예를 나타낸 사진들이다. 이미징 샘플로는 마이크로 입자가 내재된 PDMS (polydimethylsiloxane) 혼합물을 제작하였다. 도 6(a)는 PDMS 표면에서 50㎛ 깊이에 위치한 마이크로 입자의 이미지, 도 6(b)는 펌프빔 작동시, 광열 반사 이미지, 도 6(c)는 펌프빔이 꺼졌을 때, 광열 반사 이미지를 나타내고 있다. 이미지 획득 시간은 50번의 평균화 과정을 거쳐 약 50초가 소요되었고 획득된 이미지 크기는 200㎛(X)×148㎛(Y) 이다.
도 6을 참조하면, 펌프 빔이 작동할 때 (도 6(b)), 폴리스티렌 비드의 광열 효과로 인해 단지 비드의 반사율 변화량만이 도 6(b)와 같이 맵핑되게 되고, 반면 펌프 빔이 꺼지면, 비드의 광열 효과가 중단되고 도 6(c)와 같이 전체적인 반사율 변화가 보이지 않게 된다.
도 7은 추가 제작된 균일한 PDMS 내부의 미세 결함을 시스템을 통해 확인한 결과를 나타내는 사진들이다. 도 7은 깊이별 PDMS 내의 미세 결함 검출한 결과이고, (a), (c)는 PDMS 표면으로부터 15㎛, 20㎛ 깊이에서의 광학 현미경 이미지와 이에 대응되는 광열 반사 이미지가 (b), (d)이다. 서브 마이크론 불순물들이 확장된 사각형 박스 안에 보다 선명히 표시되고 있다.
즉, 도 7(a)와 7(c)는 PDMS 표면으로부터 각각 15㎛, 20㎛ 깊이에서의 광학 현미경 이미지이며 도면에서 보는 것처럼 육안으로는 어떠한 결함물도 존재하지 않는 것처럼 보인다. 그러나 펌프빔 가동 시, 각각의 위치에서 도 7(b)와 7(d)와 같이 국소적으로 위치한 서브 마이크론 불순물들 (확대된 박스 표시)이 발견되었다.
상술한 바와 같이, 샘플 내부의 서브 마이크론 미세 결함 검출을 위한 방법 및 장치에 관한 것으로 2차원 이미지 센서 기반의 열반사 현미경 기술을 적용, 불순물의 광열 효과에 의한 상대적인 반사율 변화를 측정함으로써, 미소 결함 위치를 이미지화할 수 있다.
본 발명은 결함 측정을 위해 기존 검출 시스템에 비해 이미지 획득 시간이 수십 배 이상 빠르고 별도의 광 정렬 과정이 필요하지 않아 보다 신속한 결함 검사를 수행할 수 있다. 특히 여러 층으로 이루어진 다층박막에 있어서, 스캔 구동 방식의 기존 검사 장비에 비해 훨씬 더 빠르게 3차원 불량 검사를 수행할 수 있어 기술적인 장점과 더불어 산업적 응용의 가치가 크다고 할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 결함 분석 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

Claims (11)

  1. 샘플에 일정 주파수(f)의 펌프 레이저 빔이 조사되는 단계;
    상기 펌프 레이저 빔이 조사된 영역에 결함의 광열효과로 인해 결함 주위의 온도가 변화되어 주기적인 반사 세기가 변화되는 단계; 및
    상기 샘플에 프로브 빔을 조사하여 상기 반사 세기의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 미세결함을 검출하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 샘플의 반사율 변화로부터 위상잠금 열반사법으로 측정하고 이를 온도분포로 변환하는 단계를 더 포함하는 미세결함을 검출하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저 빔을 생성하는 광원은 다양한 파장의 빔을 조사할 수 있도록 파장가변 레이저 다이오드와 파장 선택용 필터를 이용하여 구성하는 미세결함을 검출하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저 빔은 면광원 형태로 조사되는 미세결함을 검출하는 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저 빔은 면광원으로 조사되는 경우, 프로브 빔 결상면이 샘플 스테이지의 상하 이동을 통해 샘플 내부로 이동될 수 있으므로, 이러한 스테이지 Z축 스캔을 통해 샘플의 3차원 결함 정보를 확보하는 미세결함을 검출하는 방법.
  6. 샘플를 탑재하는 샘플 탑재부;
    상기 샘플에 일정 주파수(f)의 펌프 레이저 빔을 조사하기 위한 펌프 광원;
    가시광을 샘플에 조사시키기 위한 프로브 광원;
    상기 프로브 광원에 의해 조사되어 샘플로부터 반사된 빛을 검출하는 검출부; 및
    상기 샘플이 상기 펌프 레이저 빔의 조사에 의해 온도-모듈레이션 시키는 주파수의 복수배로 제어부 및 영상처리부를 포함하는 미세결함을 검출하는 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어부 및 영상처리부는 상기 반사율 변화로부터 위상잠금 열반사법으로 측정하고 이를 열분포로 변환하는 미세결함을 검출하는 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 펌프 광원은 다양한 파장의 빔을 조사할 수 있도록 파장가변 레이저 다이오드와 파장 선택용 필터를 이용하여 구성하는 미세결함을 검출하는 장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저 빔은 면광원 형태로 조사되는 미세결함을 검출하는 장치.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 펌프 광원이 샘플에 조사하는 방식은 상기 펌프 광원이 off-axis 방식으로 조사되는 경우, collinear 방식으로 조사되는 경우, 미러에 의해 반사되어 샘플의 하부로부터 입사되는 inverted 방식으로 조사되는 미세결함을 검출하는 장치.
  11. 제6 항에 있어서,
    광분배기를 더 포함하고,
    상기 프로브 광원으로부터 출사되는 빔을 샘플에 전달하고 샘플로부터 전달되어 온 빔을 검출부로 전달하는 기능을 수행하는 미세결함을 검출하는 장치.
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